一种空气气氛下制备氮氧化硅粉体的方法与流程

本发明涉及无机非金属粉体材料的制备技术领域，具体涉及，一种空气气氛下制备氮氧化硅粉体的方法。

背景技术：

氮氧化硅(si2n2o)因其具有非常好的抗热震性、耐高温强度、耐高温氧化性及低的热膨胀系数，被广泛应用于高温结构材料、耐火材料。现有技术中，制备氮氧化硅粉体的方法有很多，其中，采用硅粉在氮、氧混合气体中的直接氮氧化反应或者硅粉直接氮氧化反应，由于硅粉直接氮氧化不但成本低还可避免杂质污染，也是比较常用的方法之一。

然而如文献明亮，等.晶体硅微粉气相氮化及氮氧化条件(材料科学与工程学报,2010,28(3):416-420)，该工艺由于硅与n2和o2之间的反应存在动力学竞争关系，在氮氧化产物中存在明显的梯度，即生成的产物从上而下依次包括氧化硅、氧化硅与氮氧化硅混合层、氮氧化硅层、氮氧化硅与氮化硅混合层、氮化硅层、残留硅等的梯度现象，如果氧气和氮气的比例和氧分压没有控制好，则容易造成沿反应气流方向上纯净氮氧化硅相的梯度距离小，使制备得到的氮氧化物成品中通常含有方石英、氮化硅副产物相或残留硅相等，难以获得纯相氮氧化硅产物样品从而导致氮氧化硅粉体收得率较低。另外，文献以微正压流通状态的氮、氧混合气体为氧、氮源，当硅料堆积体上层消耗大部分氧后，氧气仍可快速补充进入堆积体内部，致使所需消耗的上层硅粉量大幅增加。因此开发一种能提高氮氧化硅产物纯度，减少硅粉损耗的直接氮氧化反应合成的氮氧化硅是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明在克服现有技术不足的基础上，提供了一种空气气氛下制备氮氧化硅粉体的方法，以硅粉为原料，通过将不同粒径和厚度的硅粉堆积体，利用常压静态下空气的氮、氧混合气体为氧、氮源，高温1350℃～1500℃条件下进行氮氧化合成，再除去上层微烧结态及少量边部产后，得到氮氧化硅粉体成品。

为了实现上述目的，采用的技术方案如下：

一方面，提供了一种空气气氛下制备氮氧化硅粉体的方法，包括如下步骤：

(1)装料：将硅粉ⅰ松装入陶瓷匣钵，松装厚度15mm～100mm，再取硅粉ⅱ覆盖于硅粉ⅰ堆积体之上，覆盖厚度5mm～15mm；

(2)氮氧化合成反应：将步骤(1)的陶瓷匣钵放置于高温炉均温区，以10℃/min～20℃/min的升温速率快速升温至1000℃，随后以2℃/min～5℃/min的升温速率升温至1350℃～1500℃，保温2h～4h进行氮氧化合成，之后随炉冷却至室温出炉；

(3)得成品：氮氧化合成反应后，下层产物为白色蓬松状，上层覆盖用的粉体呈微烧结态，除去上层微烧结态产物及少量边部与陶瓷匣钵接触处的产物后，得到氮氧化硅粉体成品。

进一步地，步骤1中硅粉ⅰ的平均粒径为0.5μm～2μm。

进一步地，步骤1中硅粉ⅰ的氧含量小于2％。

进一步地，步骤1中硅粉ⅱ的平均粒径为10μm～30μm。

另一方面，提供了一种由上述制备方法制备得到的氮氧化硅粉体。

本发明的积极效果如下：

1.本发明以大颗粒硅粉(ⅱ)覆盖小颗粒硅粉(ⅰ)的堆积体方式，利用快速升温过程中，大颗粒硅粉(ⅱ)氧化呈微烧结态，能降低空隙率，使下部硅粉(ⅰ)堆积体各处氧分压，能处于氮氧化硅热力学平衡的区间范围，从而提高氮氧化硅的产率。同时，上层的大颗粒硅粉(ⅱ)堆积体形成的微烧结态杂相产物，更易与下层小颗粒硅粉(ⅰ)堆积体氧化生成的白色蓬松状氮氧化硅进行分离，从而大大改变了现有技术采用同一粒径的硅粉直接进行氮氧化反应生成的氧化硅、氮化硅等杂相多，且与氮氧化硅无法分离的情况。

另外，本发明通过调整上下两层硅粉的粒径、厚度等在合理的工艺条件范围内，以达到保证下层硅粉(ⅰ)堆积体所需氧氮的比例，从而实现了对氧氮比例的可控调节，进而提高生产氮氧化硅的比例，提高了产品纯度。

因此，本发明采用直接氮氧化法合成氮氧化硅粉体成品，产品蓬松，易于粉碎，产品纯度和收得率得到了大幅度的提高，用x射线粉末衍射仪检测产物中仅含有氮氧化硅相，用氧氮分析仪测得产物中氧含量为15.9％～16.3％之间，收得率均在91％以上(以硅粉(ⅰ)的量进行计算)。

2.本发明采用常压静态下空气的氮、氧混合气体，替代微正压流通空气的氮、氧混合气体为氧、氮源，首先减少了硅料堆积体上层消耗大部分氧后，氧气仍可快速补充进入下层堆积体内部的情况，从而减少了上层大颗粒硅粉(ⅱ)的损失，节省了成本。其次，采用空气作为氮、氧源，对直接采用进氮气和氧气，更为节省成本；再次，采用常压条件对设备的要求也进一步降低。

附图说明

图1为本发明实施例1的氮氧化硅粉体xrd图谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

取平均粒径1.12μm、氧含量1.51％的硅粉(ⅰ)松装入陶瓷匣钵，松装厚度60mm；随后取平均粒径15μm的大颗粒硅粉(ⅱ)覆盖于上述硅粉(ⅰ)堆积体之上，覆盖厚度5mm。将上述陶瓷匣钵放置于高温炉均温区，以10℃/min的升温速率升温至1000℃，随后以5℃/min的升温速率升温至1380℃，保温3.5小时进行氮氧化合成反应；之后随炉冷却至室温出炉。氮氧化合成反应后，下层产物为白色蓬松状，上层覆盖用的粉体呈微烧结态，除去上层微烧结态产物及少量边部与陶瓷匣钵接触处的产物后，得到氮氧化硅粉体成品。

所得氮氧化硅粉体成品产品蓬松，易于粉碎，产品纯度高，用x射线粉末衍射仪检测产物中仅含有氮氧化硅相，x衍射粉末图参见附图1。氧氮分析仪测得产物中氧含量为16.1％。氮氧化硅粉体收得率为93％(以硅粉(ⅰ)的量进行计算)。

实施例2

取平均粒径1.93μm、氧含量0.91％的硅粉(ⅰ)松装入陶瓷匣钵，松装厚度40mm；随后取平均粒径15μm的大颗粒硅粉(ⅱ)覆盖于上述硅粉(ⅰ)堆积体之上，覆盖厚度20mm。将上述陶瓷匣钵放置于高温炉均温区，以20℃/min的升温速率升温至1000℃，随后以4℃/min的升温速率升温至1420℃，保温4小时进行氮氧化合成反应；之后随炉冷却至室温出炉。氮氧化合成反应后，下层产物为白色蓬松状，上层覆盖用的粉体呈微烧结态，除去上层微烧结态产物及少量边部与陶瓷匣钵接触处的产物后，得到氮氧化硅粉体成品。

所得氮氧化硅粉体成品产品蓬松，易于粉碎，产品纯度高，用x射线粉末衍射仪检测产物中仅含有氮氧化硅相。氧氮分析仪测得产物中氧含量为15.9％。氮氧化硅粉体收得率为92％(以硅粉(ⅰ)的量进行计算)。

实施例3

取平均粒径0.68μm、氧含量1.96％的硅粉(ⅰ)松装入陶瓷匣钵，松装厚度100mm；随后取平均粒径24μm的大颗粒硅粉(ⅱ)覆盖于上述硅粉(ⅰ)堆积体之上，覆盖厚度10mm。将上述陶瓷匣钵放置于高温炉均温区，以15℃/min的升温速率升温至1000℃，随后以5℃/min的升温速率升温至1400℃，保温2.5小时进行氮氧化合成反应；之后随炉冷却至室温出炉。氮氧化合成反应后，下层产物为白色蓬松状，上层覆盖用的粉体呈微烧结态，除去上层微烧结态产物及少量边部与陶瓷匣钵接触处的产物后，得到氮氧化硅粉体成品。

所得氮氧化硅粉体成品产品蓬松，易于粉碎，产品纯度高，用x射线粉末衍射仪检测产物中仅含有氮氧化硅相。氧氮分析仪测得产物中氧含量为16.2％。氮氧化硅粉体收得率为95％(以硅粉(ⅰ)的量进行计算)。

实施例4

取平均粒径0.94μm、氧含量1.04％的硅粉(ⅰ)松装入陶瓷匣钵，松装厚度80mm；随后取平均粒径12μm的大颗粒硅粉(ⅱ)覆盖于上述硅粉(ⅰ)堆积体之上，覆盖厚度12mm。将上述陶瓷匣钵放置于高温炉均温区，以15℃/min的升温速率升温至1000℃，随后以2℃/min的升温速率升温至1480℃，保温2小时进行氮氧化合成反应；之后随炉冷却至室温出炉。氮氧化合成反应后，下层产物为白色蓬松状，上层覆盖用的粉体呈微烧结态，除去上层微烧结态产物及少量边部与陶瓷匣钵接触处的产物后，得到氮氧化硅粉体成品。

所得氮氧化硅粉体成品产品蓬松，易于粉碎，产品纯度高，用x射线粉末衍射仪检测产物中仅含有氮氧化硅相。氧氮分析仪测得产物中氧含量为16.0％。氮氧化硅粉体收得率为95％(以硅粉(ⅰ)的量进行计算)。

实施例5

取平均粒径1.51μm、氧含量1.31％的硅粉(ⅰ)松装入陶瓷匣钵，松装厚度50mm；随后取平均粒径28μm的大颗粒硅粉(ⅱ)覆盖于上述硅粉(ⅰ)堆积体之上，覆盖厚度8mm。将上述陶瓷匣钵放置于高温炉均温区，以20℃/min的升温速率升温至1000℃，随后以4℃/min的升温速率升温至1450℃，保温4小时进行氮氧化合成反应；之后随炉冷却至室温出炉。氮氧化合成反应后，下层产物为白色蓬松状，上层覆盖用的粉体呈微烧结态，除去上层微烧结态产物及少量边部与陶瓷匣钵接触处的产物后，得到氮氧化硅粉体成品。

所得氮氧化硅粉体成品产品蓬松，易于粉碎，产品纯度高，用x射线粉末衍射仪检测产物中仅含有氮氧化硅相。氧氮分析仪测得产物中氧含量为16.2％。氮氧化硅粉体收得率为91％(以硅粉(ⅰ)的量进行计算)。

实施例6

取平均粒径1.75μm、氧含量1.28％的硅粉(ⅰ)松装入陶瓷匣钵，松装厚度55mm；随后取平均粒径18μm的大颗粒硅粉(ⅱ)覆盖于上述硅粉(ⅰ)堆积体之上，覆盖厚度15mm。将上述陶瓷匣钵放置于高温炉均温区，以12℃/min的升温速率升温至1000℃，随后以5℃/min的升温速率升温至1500℃，保温2小时进行氮氧化合成反应；之后随炉冷却至室温出炉。氮氧化合成反应后，下层产物为白色蓬松状，上层覆盖用的粉体呈微烧结态，除去上层微烧结态产物及少量边部与陶瓷匣钵接触处的产物后，得到氮氧化硅粉体成品。

所得氮氧化硅粉体成品产品蓬松，易于粉碎，产品纯度高，用x射线粉末衍射仪检测产物中仅含有氮氧化硅相。氧氮分析仪测得产物中氧含量为16.3％。氮氧化硅粉体收得率为93％(以硅粉(ⅰ)的量进行计算)。

从以上实施例1-6得知，相对于现有技术如文献：明亮，等.晶体硅微粉气相氮化及氮氧化条件(材料科学与工程学报,2010,28(3):416-420)，本发明制得得氮氧化硅粉体成品：首先，产品蓬松，易于粉碎；其次，在纯度方面有了大幅提高，用x射线粉末衍射仪检测，文献为84.2％，而本发明产物中仅含有氮氧化硅相，采用氧氮分析仪测得产物中氧含量为15.9％～16.3％，进一步证明产物氮氧化硅纯度非常高；最后，本发明所得的氮氧化硅粉体收得率非常高，均为91％以上。